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電力網繼電保護原理孫國凱 第三章.ppt

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第三章 電網的距離保護第一節 距離保護概述第二節 阻抗繼電器第三節 阻抗繼電器的接線方式第四節 影響距離保護正確工作的因素及采取的防止措施第五節 距離保護的整定計算 一、距離保護的基本概念 第一節 距離保護概述思考:電流、電壓保護的主要優點是簡單、可靠、經濟,但是,對于容量大、電壓高或結構復雜的網絡,它們難于滿足電網對保護的要求。電流、電壓保護一般只適用于35kV及以下電壓等級的配電網。對于110kV及以上電壓等級的復雜網,線路保護采用何種保護方式?解決方法:采用一種新的保護方式——距離保護。距離保護:是反應保護安裝處至故障點的距離,并根據距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。 測量保護安裝處至故障點的距離,實際上是測量保護安裝處至故障點之間的阻抗大小,故有時又稱之為阻抗保護。 一、距離保護的基本概念 距離保護也有一個保護范圍,短路發生在這一范圍內,保護動作,否則不動作,這個保護范圍通常只用給定阻抗的大小來實現的。 正常運行時保護安裝處測量到的線路阻抗為負荷阻抗,即 一、距離保護的基本概念 Zm= 在被保護線路任一點發生故障時,測量阻抗為保護安裝地點到短路點的短路阻抗,即 距離保護反應的信息量比反應單一物理量的電流保護靈敏度高。 一、距離保護的基本概念 二、時限特性 距離保護的動作時間t與保護安裝處到故障點之間的距離l的關系稱為距離保護的時限特性,目前獲得廣泛應用的是三階梯型時限特性。三、距離保護的組成 1.起動元件:其主要作用是在發生故障的瞬間起動整套保護。采用的是過電流繼電器或者阻抗繼電器。 2.方向元件: 作用是保證保護動作的方向性。采用單獨的方向繼電器,或方向元件和阻抗元件相結合。 3.距離元件 :作用是測量短路點到保護安裝處的距離(即測量阻抗),一般采用阻抗繼電器。 4.時間元件 :作用是根據預定的時限特性確定動作的時限,以保證保護動作的選擇性,一般采用時間繼電器。 跳閘7645ZⅠZⅡZⅢtⅡtⅢ起動元件方向元件出口元件12238圖3—2 距離保護原理的組成元件框圖正常運行時:起動元件1不起動,保護裝置處于被閉鎖狀態。 如果故障點位于距離Ⅱ段之外的距離Ⅲ段保護范圍內,…… 如果故障點位于距離Ⅰ段之外的距離Ⅱ段保護范圍內,…… 如果故障點位于第Ⅰ段保護范圍內, …… 正方向發生故障時:起動元件1和方向元件2動作,距離保護投入工作。三、距離保護的組成 跳閘7645ZⅠZⅡZⅢtⅡtⅢ起動元件方向元件出口元件12238圖3—2 距離保護原理的組成元件框圖 第二節 阻抗繼電器 阻抗繼電器主要作用是測量短路點到保護安裝處之間的距離,并與整定阻抗值進行比較,以確定保護是否應該動作。 繼電器的測量阻抗:指加入繼電器的電壓和電流的比值,即 Zm可以寫成R+jX的復數形式,所以可以利用復數平面來分析繼電器的動作特性,并用一定的幾何圖形把它表示出來。 Zm= 以下圖中線路BC的距離保護第Ⅰ段為例來進行說明。其整定阻抗 ,并假設整定阻抗角與線路阻抗角相等。 第二節 阻抗繼電器 正方向短路時:測量阻抗在第一象限,正向測量阻抗Zm與R軸的夾角為線路的阻抗角?d; 第二節 阻抗繼電器 反方向短路時:測量阻抗在第三象限。如果測量阻抗的相量,落在  向量以內,則阻抗繼電器動作;反之,阻抗繼電器不動作。 阻抗繼電器的動作特性為一個圓。如下圖所示的阻抗繼電器的動作特性為方向特性圓,圓內為動作區,圓外為非動作區。 第二節 阻抗繼電器 一、具有圓動作特性的阻抗繼電器 (一)特性分析及電壓形成回路 1.全阻抗繼電器(1)幅值比較 全阻抗繼電器的動作特性是以整定阻抗為半徑,以坐標原點為圓心的一個圓,動作區在圓內。沒有方向性。全阻抗繼電器的動作與邊界條件為 :或  比較兩電壓量幅值的全阻抗繼電器的電壓形成回路如右圖所示。全阻抗繼電器動作方程為 一、具有圓動作特性的阻抗繼電器 (一)特性分析及電壓形成回路 幅值比較的繼電器的動作方程 為:(2)相位比較 繼電器的動作邊界條件為:分子分母同乘以測量電流得 (2)相位比較 令 故相位比較的動作方程為 2.方向阻抗繼電器 (1)幅值比較 方向阻抗繼電器的動作特性為一個圓,圓的直徑為整定阻抗,圓周通過坐標原點,動作區在圓內。這種繼電器的動作具有方向性,阻抗動作方程為幅值比較的動作與邊界條件為分子分母同乘以測量電流得2.方向阻抗繼電器 (1)幅值比較 |故幅值比較的動作方程可寫成 (2)相位比較 相位比較的方向阻抗繼電器動作特性如下圖所示:其動作與邊界條件為3.偏移特性阻抗繼電器 (1)幅值比較 偏移特性阻抗繼電器的動作特性,圓心坐標 , 圓的半徑為 ,其動作與邊界條件為 兩邊同乘以測量電流得 圓的直徑為令 故動作量: 制動量: 令 故幅值比較的動作方程可寫成 (2)相位比較 偏移特性阻抗繼電器相位比較分析,如下圖所示:分式上下同乘以測量電流得 其相位比較的動作與邊界條件為 令相位比較偏移特性阻抗繼電器的兩電氣量 故相位比較的動作方程為4.直線特性阻抗繼電器 阻抗圓的半徑為無窮大時,圓特性變為直線特性,則幅值比較的動作與邊界條件為 兩邊同乘以測量電流得相位比較的動作與邊界條件為 上式中分子分母同乘以測量得 4.直線特性阻抗繼電器 總結:幅值比較的 、 量與相位比較的 、 量之間在忽略或2倍關系時,滿足下列關系 或者說,滿足 (二)阻抗繼電器的比較回路 具有圓特性阻抗繼電器可以用比較兩個電氣量幅值的方法來構成,也可以用比較兩個電氣量相位的方法來實現。所有繼電器都可以認為是由兩個基本部分組成,即由電壓形成回路和幅值比較或相位比較回路組成。 1、二極管環形相位比較回路 二極管環形相位比較回路基于把兩個進行比較的電氣量的相位變化關系轉換為直流輸出脈動電壓的極性變化。 假定 (1) 當?=0?時 : 輸出電壓Umn等于在一周期內電阻R1、R2上電壓降的代數和,即 π2πoUM nωt M n . P JUouω tθ = 0○o●1E2E2Uo●U1πi 1 R 12π 2 R 1i' 2 R 2i 1 R 2i' 當相位角?變化時,比相回路的輸出電壓Umn脈沖寬度及極性相應產生變化 。 (2)當?=180?時: 輸出電壓的平均值為負極性最大值。 E1o●E2ω tmn U oo1U●2ππU mn .pJU2○θ =180ouω tπi 1 R 12π 2 R 1i' 2 R 2i 1 R 2i'(3)當?=90?時: 3ωtuom nUoωt2ππ3π4πU mn.pJ = 0=90。省略部分。閉鎖,一方面發出斷線信號。 四、電壓回路斷線對距離保護的影響 將KS的另一組線圈W2經C0和R0接于電壓互感器二次側開口三角形的輸出電壓上,當系統中出現零序電壓時,兩組線圈W1和W2所產生的零序電壓安匝大小相等,方向相反,合成磁通為零,KS不動作。 四、電壓回路斷線對距離保護的影響 第五節 距離保護的整定計算 一、距離保護?段 1.動作阻抗 對輸電線路,按躲過本線路末端短路來整定,即取 2.動作時限 二、距離保護第二段 1.動作阻抗 (1)與下一線路的第一段保護范圍配合,并用分支系數考慮助增及外汲電流對測量阻抗的影響,即 式中 Kb為分支系數,(2)與相鄰變壓器的快速保護相配合 ?。?)、(2)計算結果中的小者作為 。 2. 動作時限 3.靈敏度校驗 如靈敏度不能滿足要求,可按照與下一線路保護第Ⅱ段相配合的原則選擇動作阻抗,即第Ⅱ段的動作時限應比下一線路第Ⅱ段的動作時限大一個時限階段, 三、 距離保護的???段 1.動作阻抗 按躲開最小負荷阻抗來選擇,若第Ⅲ段采用全阻抗繼電器,其動作阻抗為式中 ——最小負荷阻抗, 2.動作時限 3.靈敏度校驗 作近后備保護時 作遠后備保護時 式中,Kb為分支系數,取最大可能值。 思考:靈敏度不能滿足要求時, 怎么辦?采用方向阻抗繼電器,以提高靈敏度 方向阻抗繼電器的動作阻抗的整定原則與全阻抗繼電器相同。正常運行時,負荷阻抗的阻抗角?L較小;短路時,短路阻抗角?d較大。如果選取方向阻抗繼電器的?lm = ?d ,則方向阻抗繼電器的動作阻抗為 結論:采用方向阻抗繼電器時,保護的靈敏度比采用全阻抗繼電器時可提高1/cos(?d - ?L )。 四、阻抗繼電器的整定 保護二次側動作阻抗 式中 Kcon——接線系數。對全阻抗繼電器: 0?接線, Kcon=1;? 30?接線, Kcon=?3 。對方向阻抗繼電器: 0?接線, Kcon=1; ? 30?接線, Kcon=2 。五、對距離保護的評價 1.主要優點 (1)能滿足多電源復雜電網對保護動作選擇性的要求。(2)阻抗繼電器是同時反應電壓的降低與電流的增大而動作的,因此距離保護較電流保護有較高的靈敏度。 2.主要缺點 (1)不能實現全線瞬動。 (2)距離保護裝置較復雜,調試比較麻煩,可靠性較低。 例3-1 在下圖所示網絡中,各線路均裝有距離保護,試對其中保護1的相間短路保護Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段進行整定計算。已知線路AB的最大負荷電流IL.max=350A,功率因數cos?=0.9,各線路每公里阻抗Z1=0.4?/km,短路阻抗角?d = 70? ,電動機的自起動系數Kss=1,正常時母線最低工作電壓UMN.min取等于0.9UN(UN=110kV)。 解: 1.有關各元件阻抗值的計算 AB 線路的正序阻抗 BC 線路的正序阻抗 變壓器的等值阻抗 2.距離Ⅰ段的整定 (1)動作阻抗: (2)動作時間: 3.距離Ⅱ段 (1)動作阻抗:按兩個條件選擇。 1)與相鄰線路BC的保護3(或保護5)的Ⅰ段配合 于是 2)按躲開相鄰變壓器低壓側出口點短路整定 取以上兩個計算值中較小者為Ⅱ段定值,即取 3.距離Ⅱ段 (1)動作阻抗:按兩個條件選擇。 (2)動作時間 (3)靈敏性校驗: 3.距離Ⅱ段 4.距離Ⅲ段 (1) 動作阻抗: (2)動作時間 : (3)靈敏性校驗 取其中較長者 1)本線路末端短路時的靈敏系數 4.距離Ⅲ段 2)相鄰元件末端短路時的靈敏系數 ①相鄰線路末端短路時的靈敏系數為 式中,Kb.max為相鄰線路BC末端點短路時對保護1而言的最大分支系數, 4.距離Ⅲ段 ②相鄰變壓器低壓側出口d2點短路時的靈敏系數中,最大分支系數為 4.距離Ⅲ段 思考題:3-1 距離保護的工作原理是什么?它與電流保護的主要區別是什么?3-2 什么叫測量阻抗、動作阻抗、整定阻抗、返回阻抗、短路阻抗、負荷阻抗?3-3 具有圓特性的全阻抗繼電器、方向阻抗繼電器、偏移特性的阻抗繼電器各有什么特性?3-4方向阻抗繼電器為什么要標出電流、電壓的極性?如果在實際接線中將其中之一極性接反了,會產生什么后果?如果兩個極性都接反了呢?3-5 方向阻抗繼電器為什么會有死區?如何消除?全阻抗繼電器有無死區?為什么? 3-6 有一方向阻抗繼電器,其整定阻抗為 ,若測量阻抗為 ,問該繼電器能否動作,為什么?3-7附加“記憶回路”可以消除阻抗繼電器在所有類型時的死區(包括暫態和穩態),這種說法對嗎?為什么?3-8引入第三相電壓可以消除阻抗繼電器在所有類型時的死區(包括暫態和穩態),這種說法對嗎?為什么?3-9 0°、30°、-30°接線的阻抗繼電器應接什么電流、電壓?3-10 精確工作電流的含義是什么?阻抗繼電器為什么要考慮精確工作電流?思考題:3-11 過渡電阻對保護的影響在長線上大,還是在短線上大?為什么?3-12 過渡電阻對距離I段的影響大,還是對其II段的影響大?為什么?3-13 電力系統振蕩的特點是什么?對距離保護有什么影響?振蕩閉鎖裝置可以采用哪些原理來實現?3-14 分支電流對距離保護有何影響?3-15 不同特性的阻抗繼電器(如全阻抗繼電器、方向阻抗繼電器和偏移特性阻抗繼電器)在承受過渡電阻的能力上哪一種最強?在遭受振蕩影響的程度上哪一種最嚴重?思考題:3-16 阻抗繼電器為什么怕電壓互感器回路斷線?斷線時會發生什么后果?如何防止?是否所有的阻抗繼電器都怕電壓互感器回路斷線?3-17 在分析電壓互感器二次回路斷線對阻抗繼電器的影響時,一般是說,由于斷線使繼電器端子上的電壓可能為零,從而將引起阻抗繼電器誤動。然而,在此前分析“死區”問題時則說,當保護安裝處出口短路時,可使繼電器端子上電壓為零 ,從而會引起保護拒動。這兩種情況,都是使繼電器端子上電壓為零,但其結果為什么一個是誤動,一個是拒動?這不矛盾嗎?為什么?思考題:3-18 在下圖所示的網絡中,各線路均裝有距離保護,試對其中保護1的相間短路保護I、II、III段進行整定計算。已知線路AB的最大負荷電流ILmax=300A,功率因數cos?=0.9,各線路每公里阻抗Z1=0.4?,阻抗角?d= 70?,Kss=1.5,Kre=1.2,并設Krel?=0.85, Krel?=0.8, Krel??=1.2,變壓器采用了能保護整個變壓器的無時限縱差保護。 3-19 在下圖所示的網絡中,各線路均裝有距離保護,試對其中保護1的相間短路的距離保護I、II、III段進行整定計算。已知線路AB的最大負荷電流ILmax=280A,cos?=0.9,各線路每公里阻抗Z1=0.4,阻抗角?d= 70?,Kss=1.5,Kre=1.2,tB??=1s, t12??=1s, 并設Krel?=0.85,Krel??=1.2,變壓器采用了能保護整個變壓器的無時限縱差保護。
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第三 電力網 保護 原理
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